考虑块石块度及分布的人工土石混合边坡稳定性分析.pdf
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1、Series No.567September 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第567 期2023 年第 9 期收稿日期 2021-09-08基金项目 国家自然科学基金面上项目(编号:51774048);高等学校专项基金项目(编号:2021YJSAQ03)。作者简介 李志辉(1998),男,硕士研究生。通信作者 杨小彬(1976),男,教授,博士,博士研究生导师。考虑块石块度及分布的人工土石混合边坡稳定性分析李志辉1 杨小彬1 原文杰2 吕祥锋3 刘腾辉1 赵余廷1 张泽文1 肖德升1(1.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 100083;2.平朔工业集团有限责
2、任公司,山西 朔州 038308;3.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083)摘 要 为研究人工土石混合边坡中块石块度及空间分布对边坡稳定性的影响,用 Python 语言编写脚本生成不同块石块度、块石间距、块石轮廓等参数构成土石混合边坡模型,实现土石混合边坡块石块度及分布的随机生成。将模型导入 Abaqus 软件中生成土石混合边坡的数值计算模型,对土石混合边坡的稳定性进行计算,得到了块石的不同块度大小及不同空间分布对土石混合边坡稳定性的影响规律。研究表明:在含石量相同、块石块度范围为 1050 cm的条件下,随着块石块度增加,土石混合边坡的安全系数提升,塑性破坏带变宽、变长,边坡稳
3、定性增加;当块度为 1020 cm 与 3040 cm 的块石分层分布在土石边坡中且块度大的块石邻近边坡下部时,安全系数较高,土石混合边坡的塑性破坏带分布面积广,边坡稳定性提升。研究结果可为人工土石混合边坡施工提供参考。关键词 人工土石混合边坡 边坡稳定性 安全系数 塑性破坏带 中图分类号TD325 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-09-076-07DOI 10.19614/ki.jsks.202309010Stability Analysis of Artificial Soil-rock Mixed Slope Considering Block Size and D
4、istributionLI Zhihui1 YANG Xiaobin1 YUAN Wenjie2 L Xiangfeng3 LIU Tenghui1ZHAO Yuting1 ZHANG Zewen1 XIAO Desheng1(1.School of Emergency Management and Safety Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China;2.Pingshuo Industrial Group Co.,Ltd.,Shuozhou 038308,China;
5、3.School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)Abstract In order to explore the influence of block size and distribution on slope stability in artificial soil-rock mixed slope,the different block sizes,block spacing,block profile and othe
6、r parameters of the soil-rock mixed slope model are scripted in Python language,and realizing the random generation of block size and distribution of soil-rock mixed slope.The model is imported into ABAQUS software to generate the numerical calculation model of soil-rock mixed slope.The stability of
7、 the soil-rock mixed slope is calculated and the influence rule of rocks with different sizes and distribution conditions on the stability of soil-rock mixed slope is revealed using numerical simulation.The results show that under the condition of the same rock propor-tion and the block size range i
8、s 1050 cm,the safety factor of the soil-rock mixed slope increases gradually with the increase of block size,the plastic failure zone becomes wider and longer,and the stability of soil-rock mixed slope increases.When 1020 cm and 3040 cm block stones exist in the soil-rock mixed slope at the same tim
9、e,the closer the distribution of large-size rocks to the bottom,the higher the safety factor of the soil-rock mixed slope,the plastic failure zone of soil-rock mixed slope be-comes wider,and the slope stability increases.The research results can provide reference for the construction of artificial s
10、oil-rock mixed slope.Keywords artificial soil-rock mixed slope,slope stability,safety factor,plastic failure zone 土石混合体是指第四纪以来,由强度较高、大小不均匀的块石与强度较弱的土体构成的不均匀土体1。在实际边坡稳定性问题中土石混合边坡引发的灾害所占比重最大2-5。随着我国资源开采强度不断提高,露天矿排土场的人工堆积边坡、尾矿库坝等新型土石混合边坡数量逐年增加,土石混合边坡失稳导致的滑坡事故频次也呈增长趋势,并造成了严重的人员伤亡与巨大的财产损失,如深圳“12.20”渣土场67滑
11、坡事故6,故开展针对人工土石混合边坡稳定性的研究具有重要意义。由于土体与块石的力学特性不同,导致块石块度和分布方式对土石混合边坡稳定性有较大的影响。徐文杰等7-8通过数字图像处理技术对土石混合体原样的含石量以及块石块度进行处理,并以此为基础制成试验用样本,用于大粒径剪切试验研究。ZHAO等9、LUIS 等10、LINDQUIST 等11通过三轴压缩试验对不同块石属性的土石混合体的各项力学特征进行了深入研究。油新华等12、李晓等13对不同地区土石混合体试样进行压剪、推剪试验,对不同土石混合体的力学特征进行了研究。随着数值模拟软件不断发展,Abaqus、FLAC3D等软件可以较好地计算分析土石混合
12、体这种非均质体的力学特征。杨小彬等14通过数字图像处理技术研究了大块度石块分布对土石混合体稳定性的影响规律。徐文杰等15-16基于数字图像处理技术分析了土石混合体边坡的力学特征。刘顺青17采用随机块石分布程序探究了不同含石量的土石混合边坡稳定性。黄献文等18采用 Photo-shop 和 Matlab 对原始边坡信息进行处理,并揭示了土石混合边坡中块石对边坡稳定性的影响规律。截至目前,现有的数字图像处理技术都是基于实际边坡的断面图处理并提取出土石混合边坡模型,未能考虑到实际块石的块度尺寸以及块石的分布方式对实际人工土石混合边坡产生的影响,且现有研究鲜有考虑不同块度范围块石及人工堆放产生的块石分
13、布对边坡稳定性的影响。基于此,本研究建立一种考虑块石不同块度及空间分布的人工土石边坡模型,利用 Python 语言脚本在土体中随机投放不同块度的块石,并实现块石大小和分布的随机生成。采用 Abaqus 软件对土石混合边坡进行数值模拟,对比分析块石不同块度及分布的土石混合边坡的稳定性,研究块石不同块度及堆放模式对土石混合边坡稳定性的影响,为土石混合边坡尤其是人工堆积土石混合边坡稳定性分析提供参考。1 块石随机生成方法考虑人工土石混合边坡中块石大小及空间分布问题,利用 Python 脚本语言生成不同块石块度、块石间距、块石边界数等参数构成的土石混合边坡模型,基于 Abaqus 软件的二次开发功能读
14、取 Python 块石随机生成脚本程序,构建土石混合边坡计算模型。1.1 块石空间分布随机生成通过随机生成基础圆的圆心并控制各个基础外界圆之间的距离,实现块石空间的随机分布,具体生成步骤如下:(1)首先设定长方形基体参数,在基体内随机生成坐标点(x0,y0),并以该点为圆心,生成半径为 r0的基础圆。(2)生成第 m 个随机坐标点,并比较该坐标点与其他已有基础圆圆心之间的距离是否符合要求,若符合要求,则以此坐标点为圆心生成基础圆;若不符合要求,则重新生成随机坐标点。随机坐标点的生成符合式(1):xm-xn()2+ym-yn()2 2r0+d,(1)式中,xm、ym为第 m 个随机坐标点的坐标;
15、xn、yn为所有基础圆圆心坐标;d 为块石间距。(3)重复生成随机坐标点的操作步骤,直到完成块石投放循环次数,生成所有基础圆,并据此生成块石轮廓。1.2 块石块度随机生成在块石块度方面,现有的生成方式以多边形代替块石轮廓,少有考虑块石的不规则轮廓,本研究通过控制基础外界圆的各项数据,实现随机块石尺寸以及块石随机弧形轮廓生成。具体步骤如下:(1)首先根据程序设定好的长宽参数生成长方形基体,在基体内随机生成坐标点(x0,y0),并以此点为圆心、以 r0为半径生成基础圆。(2)以基础圆为原型,在变形系数,的控制下生成随机圆,随机圆确定的第 i 个块石边界点坐标(xi,yi)为xi=x0+r0cosi
16、,(2)yi=y0+r0sini,(3)式中,为 0.71.0 范围内服从均匀分布的随机数;i为块石对应的第 i 个边界点的随机角度,公式为i=2in,(4)式中,n 为块石总边界点数;为 1 1+1/i()范围内服从均匀分布的随机数。(3)以随机生成的块石边界点为基础,生成块石多边形骨料,再以每条边为基础,在变形系数 的控制下生成块石实际圆弧边界,第 j 条圆弧边界的确定点坐标(xij,yij)为xij=xi+xi+1()2 1+(),(5)yij=yi+yi+1()2 1+(),(6)式中,当 i=n 时,xi+1取 x1,yi+1取 y1;为-0.01 0.01 范围内服从均匀分布的随机
17、数。以上生成块石轮廓过程的步骤为:首先随机生成以(x0,y0)为圆心、以 r0为半径的基础圆;在77 李志辉等:考虑块石块度及分布的人工土石混合边坡稳定性分析 2023 年第 9 期基本圆的范围内以(x0,y0)为圆心随机生成随机圆;在随机圆上取任意个点,以这些点为坐标生成块石多边形骨料;以块石多边形骨料的每条边为基础,在变形系数 的控制下随机生成块石轮廓,实现过程如图 1 所示。图 1 块石生成示意Fig.1 Schematic of rock blocks generation块石随机生成步骤为:输入块石初始参数,包括块石块度、块石间距、变形系数等;根据初始参数生成基础圆;根据基础圆的圆心
18、、半径以及块石间距判断块石是否入侵;根据变形参数生成块石轮廓;重复步骤、直到生成满足要求的块石轮廓图,流程如图 2 所示。图 2 块石随机生成流程Fig.2 Random generation process of rock blocks2 人工土石混合边坡稳定性分析2.1 有限元分析计算模型建立将随机生成的块石模型导入 Abaqus 软件,生成人工土石混合边坡模型,土石混合边坡高 10 m,顶边长 8 m,边坡坡脚为 45,模型仅考虑土石混合边坡在自然条件下的工况,模型左右边界约束 X 方向位移,在模型底部采用固支边界条件,并对土石混合边坡施加垂直方向的自重载荷,生成的边坡几何模型如图 3所
19、示。图 3 土石混合边坡几何模型示意(单位:m)Fig.3 Schematic of the geometrical model of soil-rock mixed slope参考相关研究结果19-20,在实际工程中块石的计算阈值一般取 0.050.07 倍边坡长度,故本研究块石块度取边坡坡高的 0.010.05 倍,对含石率为20%条件下的块石块度为 1020 cm、2030 cm、3040 cm、4050 cm 4 种土石混合边坡模型进行稳定性分析,讨论块石块度对边坡稳定性的影响。将 1020 cm 与 30 40 cm 块度的块石生成在同一土石边坡内,分析块石空间分布对土石边坡稳定性的
20、影响。不同块度随机分布及空间随机分布的土石混合边坡如图 4 和图 5 所示。图 5 所示模型中包括两种块度,分别为 1020 cm 和 3040 cm。其中,图 5(a)所示 3040 cm 块度块石分布在边坡上部、1020 cm 块度块石分布在边坡下部,图 5(b)与图 5(a)所示块石分布上下颠倒,图 5(c)所示两种块石在边坡中混合随机分布。图 4 不同块度块石土石混合边坡模型Fig.4 Soil-rock mixed slope model with different size根据相关文献21,土石混合体中土体与块石之间的材料属性具有明显差异,计算中可能导致计算不收敛,故土体和块石之
21、间的接触设置为 tie 接触。文中土石混合边坡中土体与块石的物理力学参数见表 1,计算过程中土体与块石材料的破坏模型采用Mohr-Coulomb 模型。考虑土石混合边坡中块石轮廓不规则性及空间分布随机性,块石轮廓部分所需要的网格应更加密集,故本研究模型网格划分的布种方式采用按边布种,在块石边界处网格划分更加密集,按近似单元尺87总第 567 期 金 属 矿 山 2023 年第 9 期图 5 不同分布块石土石混合边坡模型Fig.5 Soil-rock mixed slope model with different distribution表 1 土石混合边坡力学参数Table 1 Mechan
22、ical parameters of soil rock mixed slope材料容重/(kN/m3)弹性模量 E/MPa泊松比黏聚力 c/kPa内摩擦角/()块石2510 0000.230036土体151000.31520寸的 0.5 倍进行布种,而在边坡边界处按近似单元尺寸 1.0 倍进行布种。模型网格划分采用四边形单元,网格类型为 CP4D,生成的有限元计算模拟网格模型如图 6 所示。图 6 土石混合边坡网格示意Fig.6 Schematic of the grid of soil-rock mixed slope2.2 边坡稳定性判别强度折减法是数值模拟计算中常用的计算方法之一,故在
23、计算土石混合边坡稳定性时,采用强度折减法计算边坡安全系数。在强度折减法中边坡安全系数可定义为:在外荷载不变的情况下,边坡土体所能提供的抗剪强度与边坡土体临界破坏状态时土体强度折减后的抗剪强度比值。但边坡土体临界破坏状态的判断依据尚未统一,目前土体临界破坏状态的判断依据有22:以有限元计算不收敛作为破坏判断依据;以塑性区的贯通性作为破坏判断依据;以特征部位(如坡顶、边坡内位移最大发生处)位移突变作为破坏判断依据。本研究在采用强度折减法计算安全系数的过程中,采用第一种方法作为土体临界破坏状态的判断依据。强度折减法原理是调整土体边坡的强度参数 c与,对土体边坡的稳定性进行数值分析,通过不断增加折减系
24、数,减小土体边坡强度,直到计算出土体边坡临近破坏时的强度参数 cm与 m,此时得到的折减系数便是安全系数 Fr,其计算公式为Fr=ccm=tantanm,(7)式中,Fr为安全系数;c 为土石混合体提供的黏聚力,MPa;为土石混合体提供的内摩擦角,();cm为土石混合边坡处于滑动临界状态时土石混合体的黏聚力,MPa;m为土石混合边坡处于滑动临界状态时的土石混合体内摩擦角,()。同时,为了宏观展示边坡稳定性情况,本研究分析了土石混合边坡塑性破坏带大小,分析塑性变量随着块石块度和空间分布的变化规律,从而定性确定土石混合边坡的稳定性。3 计算结果分析3.1 人工土石混合边坡安全系数分析3.1.1 不
25、同块度块石对人工土石混合边坡安全系数的影响 采用强度折减法对含石量在 20%条件下不同块度土石混合边坡的安全系数进行了计算,结果见表2。将表 2 数据绘制成如图 7 所示的土石混合边坡块石块度对安全系数的影响曲线。从图中可以看出:随着块石块度增加,土石混合边坡的安全系数逐渐增大;在所选用的块石分布范围内,当块石块度达到 4050 cm 时,边坡的安全系数可达 1.339 37。表 2 岩石块度对土石混合边坡安全系数的影响Table 2 Influence of rockmass on safety factor of soil-rock mixed slope块石块度/cm分布方式安全系数10
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